西石門鐵礦地質超前預報系統的建立與應用

文孝貴

(長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012)

西石門鐵礦位于河北省武安市礦山鎮西石門村，礦區面積約3.7 km2，南北長約5 km。為保證掘進施工的安全，不斷探索使用各種先進的物探方法。先后采用了可控源法、高密度電法、瞬變電磁法[1]、激光掃描、地質雷達法、紅外探測法等多種物探方法進行探測。最終確立以TRT6000 地震波層分析超前預報系統為主要方法，分析測試成果，指出掘進工程前方可能存在的異常，增加了超前預報工作的針對性。建立了以地質分析為前提，物探為前導，鉆探揭露為主的綜合地質超前預報體系。

1 西石門鐵礦掘進工程中的主要問題

西石門礦區主要地層分布如下：第四系（Q），主要由沖、洪積物和坡積及風積物組成；石炭系（C）中統本溪組，主要由灰黃及灰色砂質頁巖及少量石灰巖組成；奧陶系（O）中統上馬家溝組，由灰巖、泥質花斑灰巖、角礫狀石灰巖組成，中生代燕山期巖漿巖、閃長巖、角閃二長巖等侵入奧陶系中統石灰巖中，形成接觸交代矽卡巖型磁鐵礦。礦床的構造極為復雜，以褶皺為主，斷裂構造次之，并控制了礦床的形態、產狀及空間位置變化。

礦區含水層按賦存巖層劃分主要有奧陶系中統石灰巖含水層、第四系河床砂礫石潛水含水層及閃長巖風化裂隙潛水含水層，其中，奧陶系中統石灰巖含水層為主要含水層，基底閃長巖、第四系黃土及冰積泥礫層為相對隔水層。

1.1 掘進工程施工現狀

西石門鐵礦為緩傾斜中厚礦體，按礦體自然賦存條件可劃分為北、中、南3 個部位，采用中央豎井及斜井聯合開拓，目前采用無底柱分段崩落法采礦。主要通過誘導放頂、自然冒落等方法處理采空區頂板，現已塌落至地表，回采工作較為安全。

1.2 主要問題

西石門鐵礦受不規則的閃長巖隆起和局部構造影響，北區、中區、南區地下水位存在差異。北區地下水位在 ?50 m 左右，中區地下水位在 ?30 m左右，南區地下水位在 ?40 m 左右。水位以上部位突出的地質問題主要是圍巖破碎造成的地壓管理困難和不明空場誘發的地壓沖擊波等。而水位以下部位突出的地質問題是除地壓問題外，還包括由不明采空區積水可能引發的透水問題等。

西石門鐵礦由于多年來受小礦點破壞，其遺留的不明采空區給礦方帶來了重大生產安全隱患。2009 年3 月28 日的事故，就是典型的不明采空區積水引發的透水事故，給西石門鐵礦造成了重大的人員傷亡和財產損失。西石門鐵礦民采空區主要有如下特點。

（1）形成時間跨度大，20 世紀80 年代末至今，礦區內存在著早已形成和正在形成的采空區。

（2）數量龐大、分布廣，已查明的民采損失礦量達千萬噸以上。近期西石門鐵礦中區 ?40 m 中段共施工了23 個鉆孔，其中18 個鉆孔揭露空區。

（3）民采礦點在礦區內越層越界盜采，分布無規律，地表無痕跡、地下無資料。

（4）由于民采空區分布無規律，導致其積水范圍、積水量均無據可查。一般認為地下水位以上的空區不積水，地下水位以下的空區積水。

民采空區給礦山安全生產，尤其是防治水工作帶來了極大的困難。為解決這一難題，經過多年探索，西石門鐵礦確立了以TRT6000 為主的地質超前預報系統。

2 TRT6000 超前預報系統及施工工藝

TRT6000 超前預報系統采用地震波反射三維成像技術，利用地震波遇到聲學阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時的反射地震信號，通過分析了解巷道工作面前方地質體的性質（軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等），位置及規模。

地震波從一種低阻抗物質傳播到另一高阻抗物質時，反射系數是正的；反之，反射系數是負的。因此，當地震波從軟巖傳播到硬的圍巖時，回波的偏轉極性和波源是一致的。當巖體內部有破裂帶時，回波的極性會反轉。反射體的尺寸越大，聲學阻抗差別越大，回波就越明顯，也就越容易探測到。

2.1 TRT6000 的特點[3]

TRT6000 系統采用12 個震源和10 個傳感器，震源布置在掌子面附近的左右邊墻上，分兩個斷面布置，如圖1 所示。斷面間隔為2 m；傳感器布置在距震源點10～20 m 的巷道兩邊墻及拱頂上。

圖1 震源與檢波器點的布置

TRT6000 可以方便準確地預報工作面前方100～200 m 范圍內的地質情況，從而為井巷工程的施工安全提供了科學依據。

2.2 現場施工

TRT 使用重錘錘擊指定的震源點激發地震波，同一組錘擊的位置不可改變。TRT 觸發及連接見圖2。

圖2 TRT 觸發及連接

經過上述現場測試，采集測試數據后，進入室內數據分析，編制TRT 測試成果[4]。

3 應用實例

西石門鐵礦北區 ?80 m 水平1 號穿脈為深部開拓工程，圍巖為閃長巖，灰白色至灰黑色，呈半自形晶或它形粒狀、細粒結構，塊狀構造，主要礦物成分為斜長石，次之為角閃石，有少量輝石，巖石致密堅硬。礦巖接觸帶附近巖體穩固性降低，呈破碎狀，常伴有裂隙水涌出。

3.1 TRT6000 測試成果

首先進行TRT6000 探測，測試成果見圖3。

圖3 TRT6000 探測成果解析

TRT6000 探測成果推測結論：掌子面前方8 m以內地質情況較好，巖體較完整；掌子面右前方16 m處，巷道中心線右側 ?3～+20 m，標高 ?60～?100 m范圍，高阻抗異常向低阻抗異常過度明顯，推測可能存在節理裂隙面；掌子面前方35～75 m，標高?100～?60 m 范圍，低阻抗異常大范圍分布，連續性好，推測可能為大范圍分布的破碎巖體引起，不排除存在空區、巷道等采礦工程的可能。

3.2 鉆探成果

根據TRT6000 試驗解析成果，該部位共設計并施工鉆孔1 個，孔深80.5 m。揭露巖性為閃長巖，巖芯較破碎，多呈短柱狀，RQD 值為14%，巖石質量差（見鉆探成果圖4）。

圖4 鉆探成果

鉆孔孔深16 m 處見水7 m3/h、45 m 處見水23 m3/h，推斷為裂隙水。建議巷道向前掘進45 m 后，進行下一循環的超前預報工作。

掘進時應先對出水鉆孔進行處理，用水管將鉆孔中的水引入指定的排水溝，并持續排水；其次，在掘進時應對前方特別是巷道頂部加強短探，并密切關注巷道圍巖的工程地質及水文地質變化情況，當出現冒落、片幫或頂板、圍巖異常涌（淋）水等透水征兆時，應立即停止掘進，及時向礦方有關人員匯報并采取相應的處理措施。

3.3 成果對比分析

鉆孔揭露孔深16.0 m 處見水7 m3/h、45 m 處見水23 m3/h，較好地對應了TRT 探測成果所得的結論。

TRT6000 在實施過程中主要遇到以下3 個問題：

（1）對現場巖性了解不充分，導致配備的沖擊鉆無法鉆孔安裝傳感器；

（2）在破碎巖石中實施，無法選擇理想的震源點和傳感器接收點；

（3）現場外加的噪聲及震動對測試結果有一定的影響。

根據問題原因，采取了以下措施，從而很好地解決了上述問題，并在后期的施工中成效顯著。

（1）及時深入現場，掌握擬進行探測部位的地質條件、巖性情況等，選擇合適的沖擊鉆，確保鉆孔符合要求。

（2）在破碎巖石中，依據震源點和傳感器的布置原則，在相應的震源點位置上加注錨桿，借助錨桿與巖體更緊密的結合，加強彈性波在巖體中的傳播，減少因錘擊破碎巖石表面而損失的彈性波能量。在相應的傳感器位置上進行噴漿支護，保證傳感器接收到有效彈性波。

（3）通過分析整個TRT 測試過程，只有當測試人員利用大錘錘擊震源點時，外加彈性波才有可能影響測試。準備錘擊時，在確保安全的情況下，生產鏟車、水泵、風機盡量暫停運行，以減少其對測試的影響。

4 結論

（1）在井下采用彈性波法對掘進面前方不良地質體進行預報是眾多地球物理探測方法中一種可行的方法，采用TRT6000 技術布設檢波器和震源更為靈活，適用于礦山地質超前預報。

（2）西石門深部開拓工程在重點可疑區域應繼續堅持“有疑必探”的方針，采用地質素描、物探和鉆探的綜合預報方法，降低民采空區水害風險。

（3）通過全年在西石門鐵礦開展深部開拓工程的地質超前預報，減少了鉆探的盲目性，提高了鉆探的針對性，降低了地質超前預報的費用，解決了西石門鐵礦安全生產、可持續生產的重大難題，穩定了企業生產，具有顯著的社會效益。

（4）在現階段嚴峻的安全生產形勢下，為具有類似問題礦山的安全生產提供了可供參考的技術手段。